アナログ設計の全体像

1. この記事で学べること

アナログ設計とは、連続量（電圧・電流・時間・周波数）を扱う電子回路を設計する技術領域です。センサー信号の取得、電源の安定化、RF通信、音声処理など、現実世界と電子システムをつなぐ部分の多くはアナログ回路が担います。

アナログ設計の全体像は、以下の 4 つの柱で整理できます。

これらは単独ではなく、連続量の精密な制御という目的のもとで密接に結びついています。

アナログ設計が重要であり続ける理由は、電子システムが必ず 物理世界と接続する必要があるためです。

アナログ設計は、電子システムの「入り口」と「土台」を支える技術であり、デジタル設計の性能を最大限に引き出すためにも不可欠です。

定義：小さな信号を大きくする操作。
例：センサー出力（mV レベル）を ADC 入力レベル（数百 mV〜数 V）に引き上げる。
実務での意味：ゲイン、帯域幅、ノイズ、線形性のトレードオフを理解し、目的に応じたアンプ（OP-AMP、TIA、LNA）を選択する。

定義：特定の周波数成分を通過・除去する操作。
例：電源ノイズの除去、音声帯域の抽出。
実務での意味：RC フィルタ、アクティブフィルタ、PLL などを用いて、周波数領域での信号品質を制御する。

定義：出力の一部を入力に戻し、動作を安定化・制御する仕組み。
例：OP-AMP のネガティブフィードバック、PLL のループ制御。
実務での意味：安定性（位相余裕・ゲイン余裕）を確保し、過渡応答やノイズ特性を最適化する。

定義：トランジスタや受動素子の電気的特性を理解する領域。
例：MOSFET の gm、ro、寄生容量。
実務での意味：回路性能の限界を決める要素であり、プロセスノードやレイアウトの影響を理解することが不可欠。

定義：信号に重畳するランダムな揺らぎ。
例：熱雑音、1/f ノイズ、電源ノイズ。
実務での意味：SNR、ENOB、ジッタなどの性能指標に直結するため、ノイズ源の分解と対策が必須。

確かに経験は重要だが、現代のアナログ設計は モデル化・解析・シミュレーション が高度に体系化されている。

ADC、PLL、SerDes などはアナログとデジタルが密接に統合されている。

寄生、レイアウト、温度、プロセス変動など、実シリコンでの振る舞いを考慮する必要がある。

初期段階での設計方針が最終性能を大きく左右する。

用語	定義	例	実務での意味
増幅（Gain）	信号の大きさを増やす操作	OP-AMP、LNA	センサー信号のレベル調整
帯域幅（Bandwidth）	信号が通過できる周波数範囲	20 kHz オーディオ帯域	応答速度・ノイズ特性に影響
フィードバック	出力を入力に戻す制御	負帰還アンプ	安定性・線形性の向上
ノイズ	信号に重畳するランダム成分	熱雑音、1/f ノイズ	SNR、ENOB に直結
デバイス物理	素子の電気特性の理解	MOSFET の gm, ro	回路性能の限界を決める
レイアウト寄生	配線・素子配置による寄生成分	配線容量、寄生抵抗	シミュレーションとの差異の原因
ADC	アナログ信号をデジタル化	SAR, ΣΔ	システムの精度を決める要素
LDO	低ドロップアウトレギュレータ	電源安定化	ノイズ源の抑制